Jak pomocí modulů IGBT zjednodušit návrhy pohonu motorů a invertoru

Motory a invertory jsou stále více využívány v různých aplikacích, jako je například průmyslová automatizace, robotika, elektrická vozidla, solární energie, bílé zboží a elektrické nářadí. Spolu s tímto růstem roste i potřeba vylepšovat účinnost, snižovat náklady, zmenšovat velikost a zjednodušovat celkový návrh. Pokusy o návrh vlastní výkonové elektroniky motorů a invertorů pomocí diskrétních bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem (IGBT) ke splnění specifických požadavků mohou být z dlouhodobého hlediska finančně nákladné a mohou vést i ke zpožděním v harmonogramu návrhu.

Namísto toho mohou konstruktéři využít připravené moduly IGBT, které kombinují několik výkonových zařízení v jednom jediném balení. Tyto moduly konstruktérům pomohou při vývoji kompaktních systémů s minimem propojení, zjednoduší proto sestavení, zkrátí dobu do uvedení produktu na trh a vylepší celkový výkon. Moduly IGBT v kombinaci s příslušným IGBT budičem umožňují vývoj účinných a přitom cenově příznivých pohonů motoru a invertorů.

V tomto článku jsou stručně popsány elektrické motory a invertory a související řídicí obvody a požadavky na výkon. Poté jsou zde uvedeny výhody používání modulů IGBT a různých standardů balení modulů. Následně budou představeny možnosti návrhu pohonu motoru a invertoru založené na modulech IGBT a IO řadiče od dodavatelů, jako jsou společnosti NXP Semiconductors, Infineon Technologies, Texas Instruments, STMicroelectronics a ON Semiconductor. A nezapomeneme ani na to, jak je používat, včetně používání vyhodnocovacích desek.

Typy motorů a normy účinnosti

Dle normy IEC/EN 60034-30 je účinnost motorů rozdělena do 5 tříd od IE1 po IE5. Podle Národní asociace výrobců elektrických zařízení (NEMA) je odpovídající rozmezí hodnocení od „standardní účinnosti“ po „ultra prémiovou účinnost“ (obrázek 1). Ke splnění vyšších standardů účinnosti je používání elektronických pohonů nezbytné. Střídavé indukční motory s elektronickými motory splňují požadavky tříd IE3 a IE4. Ke splnění požadavků úrovně účinnosti IE5 jsou nutné nákladnější motory s permanentním magnetem a elektronické pohony.

Obrázek 1: Třídy účinnosti motorů podle normy IEC/EN 60034-30 (IE1 až IE5) a odpovídající hodnocení asociace NEMA (standardní účinnost až ultra prémiová účinnost). Střídavé indukční motory s vektorovým řízením a elektronické pohony splňují požadavky tříd IE3 a IE4. Ke splnění požadavků úrovně účinnosti IE5 jsou nutné motory s permanentním magnetem. (Zdroj obrázku: ECN)

Vývoj levnějších mikrokontrolérů (MCU) umožnil konstruktérům použít vektorové řízení, zvané také vektorově orientované řízení (FOC), nebo řízení pohonu s frekvenčním měničem (VFD), ve kterém se statorové proudy třífázového střídavého motoru považují za dvě ortogonální součásti, které lze vizualizovat prostřednictvím vektoru. K udržení měřených proudových součástí na požadovaných hodnotách lze použít proporcionálně-integrální (PI) řídicí jednotky. Pulzně-šířková modulace VFD definuje spínání tranzistoru podle referenčních napětí statoru, které jsou výstupem proudových řídicích jednotek PI.

FOC bylo původně vyvinuto pro vysoce výkonné systémy, ale zažívá rostoucí popularitu v cenově nižších aplikacích také díky velikosti motoru FOC, nižším nákladům a nižší spotřebě energie. Vzhledem k rostoucí dostupnosti vysoce výkonných jednotek MCU s nižší cenou vytlačuje FOC stále více skalární řízení volty na hertze (V/f) s jednou proměnnou, které má nižší výkon.

Dnes se používají dva primární typy motorů s permanentními magnety – stejnosměrné bezkartáčové motory (BLDC) a synchronní motory s permanentním magnetem (PMSM). Oba tyto pokročilé designy motoru vyžadují k řízení a ovládání výkonovou elektroniku.

Motory BLDC jsou odolné, účinné a cenově příznivé. Motory PMSM mají atributy motorů BLDC, navíc jsou však méně hlučné a mají o trochu vyšší účinnost. Oba typy motorů se běžně používají s Hallovými snímači, ale lze je použít také v návrzích bez snímačů. Motory PMSM se používají v aplikacích, které vyžadují nejvyšší úrovně výkonu, zatímco motory BLDC najdou uplatnění v návrzích, kde hraje větší roli cena.

• Stejnosměrné bezkartáčové motory (BLDC)
  • Snadnější řízení (6krokové), vyžadován pouze stejnosměrný proud
  • Pulzace točivého momentu v komutacích
  • Nižší cena a nižší výkon (ve srovnání s motory PMSM)
• Synchronní motory s permanentním magnetem (PMSM)
  • Běžně používané v servopohonech s integrovaným kodérem hřídele
  • Komplexnější řízení (nutná 3fázová sinusová pulzně-šířková modulace)
  • Bez pulzace točivého momentu v komutacích
  • Vyšší účinnost, vyšší točivý moment
  • Vyšší cena a vyšší výkon (ve srovnání s motory BLDC)

Přehled o invertoru

Účinnost invertoru sděluje, kolik vstupního stejnosměrného výkonu se přemění na střídavý výkon na výstupu. Invertory s vysoce kvalitním sinusovým průběhem poskytují účinnost 90–95 %. Invertory s méně kvalitním, pozměněným sinusovým průběhem jsou jednodušší, levnější a méně účinné, obvykle kolem 75–85 %. Vysokofrekvenční invertory bývají obvykle účinnější než nízkofrekvenční provedení. Účinnost invertoru závisí také na jeho zátěži (obrázek 2). Všechny invertory vyžadují výkonové elektronické pohony a ovládání.

Pro fotovoltaické invertory existují tři typy hodnocení účinnosti:

• Špičková účinnost indikuje výkon invertoru při optimálním výstupním výkonu. Ukazuje maximální bod konkrétního invertoru a lze ji použít jako kritérium jeho kvality (obrázek 2).
• Evropská účinnost je váženou hodnotou, která bere v úvahu, jak často je invertor v provozu při různých výstupních výkonech. Někdy se jedná o užitečnější hodnotu, než je špičková účinnost, protože naznačuje, jak invertor zvládá různé výstupní úrovně během solárního dne.
• Účinnost Kalifornské energetické komise (CEC) je také váženou účinností podobně jako ta evropská, ale při vážení faktorů vychází z jiných předpokladů.

Hlavní rozdíl mezi evropskou účinností a účinností CEC spočívá v tom, že důležitost jednotlivých úrovní výkonu pro konkrétní invertor se u první zmiňované zakládá na datech pro střední Evropu, zatímco u druhé na kalifornských datech.

Obrázek 2: Křivka typické účinnosti invertoru demonstrující bod špičkové účinnosti. (Zdroj obrázku: Pensylvánská státní univerzita)

Základy o tranzistorech IGBT

Základní funkcí tranzistoru IGBT je co nejrychlejší možné spínání elektrických proudů s co nejnižšími možnými ztrátami. Jak již naznačuje samotný název, IGBT je bipolární tranzistor se strukturou izolovaného hradla. Samotné hradlo je v podstatě tranzistor MOSFET. Tranzistory IGBT v sobě proto kombinují výhody možností přenosu vysokých proudů a vysokých blokovacích napětí bipolárního tranzistoru s kapacitním nízkovýkonovým řízením tranzistoru MOSFET. Obrázek 3 znázorňuje, jak kombinace tranzistoru MOSFET a bipolárního tranzistoru dohromady tvoří tranzistor IGBT.

Obrázek 3: Konceptuální struktura tranzistoru IGBT se zobrazením tranzistoru MOSFET, který tvoří izolované hradlo, a struktury bipolárního tranzistoru, který je častí zpracovávající výkon. (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Základní fungování tranzistoru IGBT je prosté: Kladné napětí U_GE z hradla (G na obrázku 3) do emitoru (E) zapíná tranzistor MOSFET. Poté může napětí přivedené na kolektor (C) protlačovat základní proud přes bipolární tranzistor a tranzistor MOSFET. Bipolární tranzistor sepne a zátěžný proud může protékat. Napětí U_GE ≤ 0 V vypíná tranzistor MOSFET, dojde k přerušení základního proudu a bipolární tranzistor vypne také.

Přestože je tento princip jednoduchý, vývoj hardwaru k řízení tranzistoru IGBT, hradlového budiče, může být složitým úkolem kvůli četným výkonovým nuancím reálných zařízení a obvodů. Většinu času to není nutné řešit. Výrobci polovodičových součástek nabízejí vhodné hradlové budiče s širokou řadou funkcí a vlastností pro integrovaná řešení. Proto je důležité sladit moduly IGBT s příslušnými hradlovými budiči.

Moduly IGBT se nabízejí v široké škále balení (obrázek 4). Největší velikosti jsou určeny pro 3 300 V nebo více a slouží k použití v megawattových instalacích, jako jsou systémy obnovitelných energií, zdroje nepřerušeného napájení (UPS) a velmi velké pohony motorů. Středně velké moduly nabízejí typicky hodnoty od 600 do 1 700 V pro mnoho aplikací včetně elektrických vozidel, průmyslových pohonů motorů a solárních invertorů.

Obrázek 4: Moduly IGBT jsou nabízeny v široké škále balení. Typické jmenovité napětí se pohybuje od 600 do 3 300 V. (Zdroj obrázku: Fuji Electric)

Nejmenší zařízení se nazývají integrované výkonové moduly a nabízejí 600 V. Mohou obsahovat vestavěné hradlové budiče a další součástky pro pohony motorů v menších průmyslových systémech a bílém spotřebním zboží. Tranzistory IGBT fungují v porovnání s ostatními typy součástek spínajících výkon při vyšších výkonových úrovních a nižších spínacích frekvencích (obrázek 5).

Obrázek 5: Výkon v porovnání se spínací frekvencí u běžných zařízení spínajících výkon (Zdroj obrázku: Infineon Technologies)

Vyhodnocovací deska modulu IGBT pro trakční invertory

Pro konstruktéry vysokonapěťových trakčních invertorů nabízí společnost NXP Semiconductors vyhodnocovací desku řízení spotřeby energie hradlového budiče FRDMGD3100HBIEVM s využitím jejího IO polomůstkového hradlového budiče MC33GD3100A3EK. Tato vyhodnocovací deska je určena speciálně pro použití s modulem IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 od společnosti Infineon (obrázek 6). Jedná se o kompletní řešení, které zahrnuje polomůstkový IO hradlového budiče, kondenzátor DC připojení a desku translátoru pro připojení k počítači, která poskytuje řídicí signály. Mezi cílové aplikace patří:

• Trakční motory elektrických vozidel a vysokonapěťové DC/DC převodníky
• Vestavěné nabíječky elektrických vozidel a externí nabíječky
• Jiné aplikace vysokonapěťového řízení motoru AC

Obrázek 6: Vyhodnocovací deska FRDMGD3100HBIEVM společnosti NXP řízení spotřeby energie hradlového budiče připevněná k modulu IGBT FS820R08A6P2BBPSA1 společnosti Infineon ukazuje umístění IO MC33GD3100A3EK, polomůstkového hradlového budiče, vazebního stejnosměrného kondenzátoru a desky translátoru pro připojení k počítači, která poskytuje řídicí signály. (Zdroj obrázku: NXP Semiconductors)

Řadič pro moduly IGBT 150 × 62 × 17 mm

Pro konstruktéry pohonů motorů, solárních invertorů, nabíječek HEV a EV, větrných turbín, přenosu a systémů zdrojů nepřerušeného napájení (UPS) vyvinula společnost Texas Instruments desku ISO5852SDWEVM-017 (obrázek 7). Jde o kompaktní desku s izolovaným hradlovým budičem a dvěma kanály poskytující pohon, předpětí, ochranu a diagnostiku potřebnou pro obecně použitelný polomůstkový tranzistor MOSFET s karbidem křemíku (SiC) a křemíkovými moduly IGBT. Je umístěná ve standardním balení 150 × 62 × 17 mm. Tato deska EVM společnosti TI je založena na IO zesíleného izolovaného řadiče ISO5852SDW 5 700 V rms v balení SOIC-16DW s povrchovou a vzdušnou vzdáleností 8,0 mm. Deska EVM zahrnuje zdroje předpětí izolovaného DC/DC transformátoru založeného na SN6505B.

Obrázek 7: Deska ISO5852SDWEVM-017 společnosti Texas Instruments s izolovaným hradlovým budičem a dvěma kanály na modulu IGBT 150 × 62 mm. (Zdroj obrázku: Texas Instruments)

Inteligentní vyhodnocovací desky výkonových modulů

Společnost STMicroelectronics nabízí vyhodnocovací desku STEVAL-IHM028V2, 2 000 W, k řízení 3fázového motoru (obrázek 8) vybavenou inteligentním výkonovým modulem IGBT STGIPS20C60. Vyhodnocovací deska je DC/AC invertor, který generuje vlnovou křivku pro řízení 3fázových motorů, jako jsou indukční motory nebo motory PMSM až 2 000 W v systémech HVAC (klimatizacích), bílém zboží a high-end jednofázovém elektrickém nářadí. Konstruktéři mohou tuto desku EVB použít k implementaci návrhů FOC se třífázovými AC motory.

Hlavní částí této desky EVM je univerzální, plně vyhodnocený a zaplněný návrh sestávající z můstku 3fázového invertoru založeného na 600V inteligentním výkonovém modulu IGBT v balení SDIP 25L namontovaném na chladiči. Inteligentní výkonový modul integruje všechny výkonové spínače IGBT s nezávislými diodami a vysokonapěťovými hradlovými budiči. Tato úroveň integrace šetří místo PCB a náklady na sestavení. Přispívá také k vyšší spolehlivosti. Deska je navržena tak, aby byla kompatibilní s jednofázovým síťovým napětím a dodává od 90 do 285 V AC. Kompatibilní je také se vstupy od 125 až do 400 V DC.

Obrázek 8: Vyhodnocovací deska STEVAL-IHM028V2 společnosti STMicroelectronics s FOC. Tato deska se používá k vyhodnocení široké řady aplikací, jako jsou systémy HVAC (klimatizace), bílé zboží a high-end jednofázové elektrické nářadí. (Zdroj obrázku: STMicroelectronics)

850W vyhodnocovací deska si poradí s několika typy motorů

Společnost ON Semiconductor nabízí vyhodnocovací desku SECO-1KW-MCTRL-GEVB, která konstruktérům umožňuje řídit různé typy motorů (AC indukční motor, PMSM, BLDC) prostřednictvím různých algoritmů řízení, včetně FOC, implementovaných s mikrokontrolérem, který lze připojit prostřednictvím patic Arduino Due (obrázek 9). Deska je určena k použití s paticí Arduino DUE (kompatibilní paticí) nebo jinou deskou řídicí jednotky s MCU. Deska byla vyvinuta, aby pomohla konstruktérům s jejich prvními kroky při navrhování aplikací s integrovanými výkonovými moduly a kompenzací účiníku. Je určena pro konstruktéry průmyslových odsávaček a ventilátorů, průmyslových automatizačních systémů a spotřebních přístrojů.

Obrázek 9: Blokové schéma vyhodnocovací desky SECO−1KW−MCTRL−GEVB společnosti ON Semiconductor (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Tato vyhodnocovací deska je založena na NFAQ1060L36T (obrázek 10), výkonové fázi integrovaného invertoru sestávající z vysokonapěťového řadiče, šesti modulů IGBT a termistoru a je vhodná pro řízení indukčních motorů PMSM, BLDC a AC. Moduly IGBT jsou nakonfigurovány v 3fázovém můstku se samostatnými připojeními emitoru k nižším nohám pro maximální flexibilitu při volbě řídicího algoritmu. Výkonová fáze má celou řadu ochranných funkcí včetně mezivodičové ochrany, externího vypnutí a podpěťového blokování. Interní komparátor a reference připojené k obvodu ochrany proti nadproudu umožňují konstruktérovi nastavit svou úroveň ochrany.

Obrázek 10: Funkční blokové schéma výkonového integrovaného modulu NFAQ1060L36T společnosti ON Semiconductor (Zdroj obrázku: ON Semiconductor)

Přehled funkcí výkonového integrovaného modulu NFAQ1060L36T:

• Třífázový modul IGBT, 10 A / 600 V s integrovanými řadiči
• Kompaktní balení DIP (Dual In-line Package) 29,6 × 18,2 mm
• Vestavěná ochrana proti podpětí
• Mezivodičová ochrana
• Vstup ITRIP k vypnutí celého modulu IGBT
• Integrované diody a rezistory bootstrap
• Termistor k měření teploty substrátu
• Pin k vypnutí
• Certifikace UL1557

Závěr

Návrh vlastní výkonové elektroniky motorů a invertorů pomocí diskrétních modulů IGBT ke splnění specifických požadavků může být z dlouhodobého hlediska finančně nákladný a může vést i ke zpožděním v harmonogramu návrhu. Namísto toho mohou konstruktéři využít připravené moduly IGBT, které kombinují několik výkonových zařízení v jednom jediném balení. Tyto moduly konstruktérům pomohou při vývoji kompaktních systémů s minimem propojení, zjednoduší proto sestavení, zkrátí dobu do uvedení produktu na trh a vylepší celkový výkon.

Jak je uvedeno, mohou konstruktéři použít modul IGBT s příslušným budičem IGBT k vývoji cenově příznivých a kompaktních pohonů motorů a invertorů, které splňují normy výkonu a účinnosti.

Doporučeno k přečtení

1. Rychlá implementace návrhů řízení motorů pomocí IO pohonu s integrovaným mikrokontrolérem
2. Používání vysokoproudových budičů IGBT s vestavěnou ochranou pro spolehlivé průmyslové řízení motoru